一种亚波长混合型布洛赫表面激元光波导制造技术

本发明专利技术公开了一种具备亚波长光场限制能力和超低传输损耗的混合布洛赫表面激元光波导，该波导结构的横截面包括多层膜结构元件，位于多层膜结构元件上的低折射率介质缝隙层，嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域，位于高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线以及包覆层。基于多层膜结构元件所激发的布洛赫表面激元模式与高折射率介质纳米线所激发的介质导波模式的耦合，可将光场限制在低折射率介质缝隙层中，同时高折射率脊型介质区域可进一步显著缩小光场分布范围，实现对传输光场的二维亚波长约束；同时由于该波导为全介质结构，可以显著降低传输光场的传输损耗。所述混合光波导结构解决了集成光波导器件中的损耗与干扰问题。件中的损耗与干扰问题。件中的损耗与干扰问题。

【技术实现步骤摘要】
一种亚波长混合型布洛赫表面激元光波导


[0001]本专利技术涉及光波导
，具体涉及一种亚波长光场约束的超低损耗混合型布洛赫表面激元光波导。

技术介绍

[0002]布洛赫表面激元是存在于周期性的介质交替层光子带隙中的一种电磁波模式。这种模式存在于介质与介质的界面附近，其场强在界面处达到最大，并且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。布洛赫表面激元的激发依赖于光子晶体结构的设计，几乎没有波长和偏振的限制。此外，由于结构中没有金属的存在，可以实现长程光传输。因而在诸如纳米光子器件、传感检测等方面有望实现性能更加优越的设计。
[0003]已有的激发布洛赫表面激元的光子器件结构均是在截断的光子晶体外加镀一层介电材料来实现，布洛赫表面激元的激发源于光子带隙结构中光束的反射、折射的相干叠加效应，因而其场约束能力相对较差，不利于光子器件的集成。为了克服现存大多数布洛赫表面激元光波导结构在传输特性方面的缺陷，更有效地实现模式损耗和光场限制能力两者之间的平衡，关于布洛赫表面激元的器件结构和设计成为布洛赫表面激元相关的最新研究热点。俄科院的Konopsky研究组采用光子晶体结构为基底，在其上再加镀一层金薄膜，在所形成的混合结构中激发了类似长程表面等离激元模式，这类波导可以实现较强光场约束但是传输距离往往相对较短。Descrovi等人采用在光子晶体结构表面加载二维介质条实现对布洛赫表面波的有效导引，实现了较低的传输损耗和较大传输距离，但代价是其模场尺寸往往相对较大不利于波导及器件的集成。本课题组采用在光子晶体结构表面加载金属纳米线，基于表面等离激元模式和布洛赫表面激元模式的耦合，可以有效增强光场限制能力但传输距离仍在微米级。进而采用在光子晶体结构表面加载介质纳米线，基于介质模式和布洛赫表面激元模式的耦合，可将光场约束到介质纳米线和光子晶体界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。
[0004]本专利技术则提出了一种具备更强模场限制能力的亚波长混合型布洛赫表面激元光波导。在上述混合型波导结构的基础上，通过在介质纳米线和光子晶体结构之间的低折射率介质缝隙层中引入高折射率脊型介质，其模场限制能力得到进一步提高，同时具有较低的传输损耗。此波导对于实现各类有源及无源表面激元光学器件、集成光子芯片具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是进一步提高传统混合型布洛赫表面激元光波导的模场限制能力，提出一种亚波长、低损耗混合型布洛赫表面激元光波导结构。
[0006]本专利技术提供了一种具备亚波长光场限制能力的低损耗混合型布洛赫表面激元光波导结构，其横截面包括多层膜结构元件，位于多层膜结构元件上的低折射率介质缝隙层，嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域，位于高折射率脊型介质区域上的高
折射率介质纳米线以及包覆层。其中，所述高折射率介质纳米线嵌于包覆层中，低折射率介质缝隙层位于高折射率介质纳米线和多层膜结构元件之间。其中，低折射率介质缝隙层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01
‑
0.05倍，嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域的宽度不大于所传输的光信号的波长的 0.03倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01
‑
0.05倍，且与低折射率介质缝隙层的高度相等，高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线的宽度范围为所传输光信号的波长的0.01
‑
0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的 0.01
‑
0.4倍；嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域和高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线的材料可为相同或不同材料，且两者的材料折射率均高于低折射率介质缝隙层以及包覆层的材料折射率，低折射率介质缝隙层和包覆层的材料可为相同或不同材料，低折射率介质缝隙层和包覆层的材料折射率的最大值与嵌于低折射率介质缝隙层的高折射率脊型介质区域和高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线材料折射率的最小值的比值小于0.75。
[0007]所述结构中多层膜结构元件的作用是可通过调节其中某层结构的物理性质，进而激发布洛赫表面激元。
[0008]在一个实例中，所述多层膜结构元件可以由两种或以上具有不同折射率的全介质材料层交替层叠形成；也可以由透明电介质、金属、吸收材料、左手人工材料等中的一种或多种组成。
[0009]在一个更优选实例中，多层膜结构元件依次包括多层介质材料层、高折射率介质截断层，其中多层介质材料层由两种或两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。
[0010]在一个更优选实例中，多层膜结构元件依次包括透明电介质基底、多层介质材料层、高折射率介质截断层，其中多层介质材料层由两种或两种以上具有不同折射率的介质材料层交替形成。
[0011]实例中，低折射率介质层和包覆层的材料折射率的最大值与所述高折射率介质截断层的材料折射率的比值小于0.75。
[0012]在一个实例中，所述混合型布洛赫表面激元光波导结构中高折射率介质截断层可采用硅、二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆、砷化镓中的任何一种。
[0013]在一个实例中，所述混合型布洛赫表面激元光波导结构中低折射率介质层可采用二氧化硅、二氟化镁、冰晶石中的任何一种。
[0014]其中，优选地，所述多层膜结构元件中的具有不同折射率的多层介质材料层中，可以是高折射率介质材料层与低折射率介质材料层交替叠加。其中，所述高折射率介质材料层与低折射率介质材料层中的高折射率和低折射率，是二者相对而言的；即高折射率介质材料层的折射率高于低折射率介质材料层的折射率。
[0015]其中，更优选地，所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料折射率可以相同或不同，或更优选地，所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料可以相同或不同，并优选相同，并更优选为所述高折射率介质材料层与所述高折射率介质截断层的材料选自硅、二氧化钛、氮化硅、硫化锌、氧化铈、氧化锆、砷化镓中的任何一种。
[0016]其中，更优选地，所述低折射率介质材料层与所述低折射率介质缝隙层的材料折
射率可以相同或不同，或更优选地，所述低折射率介质材料层与所述低折射率介质缝隙层的材料可以相同或不同，并优选相同，并更优选为所述低折射率介质材料层与所述低折射率介质缝隙层的材料选自二氧化硅、二氟化镁、冰晶石中的任何一种。
[0017]在一个更优选实例中，多层膜结构元件中的多层介质材料层的高折射率介质材料采用硅；多层膜结构元件中的多层介质材料层的低折射率介质材料采用二氧化硅；多层膜结构元件中的高折射率介质截断层采用硅；低折射率介质缝隙层采用二氧化硅。
[0018]所述混合型布洛赫表面激元光波导结构中多层膜结构元件中各个层的厚度选择使得在一定工作波长下，多层膜结构元件中可以产生光子带隙，进而激发布洛赫表面激元。
[0019]所述混合型布洛赫表面激元光波导结构中多层膜结构元件中的高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备亚波长光场限制能力的低损耗混合型布洛赫表面激元光波导结构，其横截面包括多层膜结构元件，位于多层膜结构元件上的低折射率介质缝隙层，嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域，位于高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线以及包覆层。其中，所述高折射率介质纳米线嵌于包覆层中，低折射率介质缝隙层位于高折射率介质纳米线和多层膜结构元件之间。其中，低折射率介质缝隙层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01
‑
0.05倍，嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域的宽度不大于所传输的光信号的波长的0.03倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01
‑
0.05倍，且与低折射率介质缝隙层的高度相等，高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线的宽度范围为所传输光信号的波长的0.01
‑
0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01
‑
0.4倍；嵌于低折射率介质缝隙层中的高折射率脊型介质区域和高折射率脊型介质区域上的高折射率介质纳米线的材料可为相同或不同材料，且两者的材料折射率均高于...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔维敬，刘沁雨，尹荣国，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：